輪轂軸承的定義、分類和技術(shù)發(fā)展趨勢

宋祥峰

摘 要：在現(xiàn)代汽車設(shè)計中，輪轂軸承一般劃歸為制動系統(tǒng)或懸架系統(tǒng)，是汽車的關(guān)鍵零部件之一，是連接鋼圈或制動盤與轉(zhuǎn)向節(jié)的重要零件。其主要作用是為旋轉(zhuǎn)副減少摩擦力，同時還起到傳遞扭矩的作用。文章從輪轂軸承的定義、分類、技術(shù)發(fā)展趨勢等方面進行簡要論述。

關(guān)鍵詞：軸承；輪轂；集成

中圖分類號：U463.9 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-178-03

Abstract： In modern automobile design， wheel hub bearings are generally classified as braking system or suspension system， which is one of the key parts of automobile， and is an important part of connecting steel ring or brake disc and steering knuckle. Its main function is to reduce the friction force for the rotation， and also to transfer torque. This paper briefly discusses the definition， classification， technology development trend.

Keywords： Bearing； hub； integration

CLC NO.： U463.9 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-178-03

前言

二十世紀50年代的汽車，前輪輪轂軸承一般采用兩套角接觸軸承、后輪采用一套單列向心球軸承；到60年代，前輪開始使用圓錐滾子軸承，后輪軸承使用圓柱滾子軸承；隨著60年代后期前輪驅(qū)動汽車的出現(xiàn)，由于驅(qū)動軸加粗導致軸承孔徑加大，同時由于軸向空間受限需減少軸承寬度，開始出現(xiàn)帶有組合密封的雙列軸承；雙列軸承單元在70年代開始得到應(yīng)用，上世紀90年代以后，輪轂軸承單元開始在各類汽車上廣泛應(yīng)用。

1 輪轂軸承的定義

輪轂軸承是汽車承重及為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供精確導向的重要部件。

從汽車裝配關(guān)系分析，輪轂軸承主要與制動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向、傳動系統(tǒng)連接。輪轂軸承的功能之一就是為輪轂的轉(zhuǎn)動提供精確的引導，特別是第四代輪轂軸承誕生以來，輪轂軸承與等速萬向節(jié)集成為一體結(jié)構(gòu)，輪轂軸承與傳動系統(tǒng)零部件的關(guān)系更為緊密。

從汽車受力方面分析，輪轂軸承主要承受通過懸架系統(tǒng)傳遞來的徑向載荷（重量）、轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的軸向載荷（轉(zhuǎn)向時輪胎的側(cè)向力或側(cè)向沖擊力），傳遞變速箱和驅(qū)動軸傳過來的扭矩，使汽車前進和后退，是非常重要的安全件。

目前，國內(nèi)輪轂軸承的開發(fā)已經(jīng)到了第四代、廣泛應(yīng)用已經(jīng)到了第三代， 那么第一代、第二代和第三代輪轂軸承有什么不同呢？

2 輪轂軸承的分類

普通輪轂軸承采用傳統(tǒng)的兩套單獨的球軸承或圓錐滾子軸承，裝配時進行調(diào)整游隙、預緊、添加潤滑脂等工作，裝配難度較大，質(zhì)量靠裝配過程中諸多人為因素控制，成本高且可靠性差，在激烈的市場競爭中不占優(yōu)勢。

近年來，隨著科技進步和汽車設(shè)計開發(fā)水平的不斷提高，輪轂軸承的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用情況發(fā)生很大變化，現(xiàn)將先后出現(xiàn)的幾代輪轂軸承介紹如下：

2.1 第一代輪轂軸承

第一代輪轂軸承是填入潤滑脂、帶密封結(jié)構(gòu)的外圈整體型雙列圓錐滾子軸承或雙列角接觸球軸承。

它由一個外圈和兩個內(nèi)圈組成，為了確保裝到車輪上時軸承的預緊力，要求溝心距有很高的精度。軸承制造商預先設(shè)定軸承初始游隙，保證安裝后預緊載荷在規(guī)定范圍內(nèi)。由于第一代輪轂軸承與輪轂及轉(zhuǎn)向節(jié)各自獨立，主機廠在線裝配時，需要將軸承內(nèi)圈壓裝到輪轂上，將軸承外圈壓裝到轉(zhuǎn)向節(jié)上。

第一代輪轂軸承針對汽車轉(zhuǎn)向時產(chǎn)生的側(cè)向力對輪轂軸承進行了優(yōu)化設(shè)計。此外，輪轂軸承自帶密封圈，省去了人工外部安裝密封圈的步驟。

第一代輪轂軸承對主機廠來說裝配工藝復雜，所以對設(shè)備和工藝控制要求都較高；且安裝時工藝不能夠精確控制，導致壓裝好后軸承的性能偏差也較大，總體性能偏低。

鑒于第一代輪轂軸承存在上述諸多缺點，其產(chǎn)量和應(yīng)用已經(jīng)越來越少，除了部分車廠基于成本考慮還在使用外，其最終也會逐漸銷聲匿跡。

2.2 第二代輪轂軸承

第二代輪轂軸承是在第一代的基礎(chǔ)上，用緊固件安裝在懸架（轉(zhuǎn)向節(jié)）上或制動盤（鋼圈）上。

與第一代輪轂軸承相比，為了有利于與相配件連接和裝配，將轉(zhuǎn)向節(jié)或輪轂與軸承套圈制成一體，也就是軸承單元外圈帶法蘭盤，直接通過鏍栓連接到懸架上（內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)型驅(qū)動輪），或安裝到剎車盤和鋼圈上（外圈旋轉(zhuǎn)型非驅(qū)動輪），其特點是裝配部件數(shù)較少、重量較輕、安裝方便，并且已經(jīng)可以配置ABS功能。

第二代輪轂軸承與第一代相比裝配時省去了壓入輪轂的這一步驟，但還需要與轉(zhuǎn)向節(jié)進行過盈配合的裝配（外圈旋轉(zhuǎn)型，見圖2），裝配精度只比一代軸承略高一點。還是具有性能差這一缺點。

當前除了部分車廠還堅持在后輪轂上使用外，也像一代軸承一樣用的越來越少，最終將會被淘汰。

2.3 第三代輪轂軸承

把輪轂、ABS傳感器和軸承套圈集成為一體，就形成第三代輪轂軸承，是繼第二代又進一步發(fā)展的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。典型的第三代輪轂軸承單元包含內(nèi)外兩個法蘭，外法蘭用螺栓固定在制動盤或鋼圈上，內(nèi)法蘭和軸承外圈集成為一體，安裝在轉(zhuǎn)向節(jié)或懸架上。

第三代輪轂軸承是輪轂軸承設(shè)計開發(fā)的重大進步。它集中了輪轂、軸承、甚至是制動系統(tǒng)的部分功能，已不再僅是一種軸承；在集成度上，三代軸承的內(nèi)圈上集成了輪轂，外圈上集成了連接轉(zhuǎn)向節(jié)（或懸架）的法蘭，通過螺栓進行連接即可。

對軸承用戶來說，這樣集成化的設(shè)計意味著簡化了軸承裝配過程，并可以減小重量和外形尺寸，提高了可靠性，裝配精度大大提高。而且由于所有尺寸全部在供應(yīng)商處精確控制，所以性能是最好的。

由于具有這兩個優(yōu)點，雖然成本略高，第三代軸承仍受到幾乎所有主流車廠的青睞。

2.4 第四代輪轂軸承

目前業(yè)內(nèi)人士也在研究進一步集成的方案。有人提出了四代軸承的概念，就是將三代軸承與驅(qū)動軸的等速萬向節(jié)集成在一起。

這種結(jié)構(gòu)取消了輪轂和驅(qū)動軸配合的花鍵部分，解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于輪轂與等速萬向節(jié)分體結(jié)構(gòu)使得輪轂的尺寸增大造成重量偏大的缺點。集成度的提高使結(jié)構(gòu)小型化、安裝更合理。

第四代輪轂軸承單元的特點是不再需要進行輪轂和驅(qū)動軸的花鍵配合裝配，輪端裝配工藝得以進一步簡化，重量減輕、體積減小，一次性裝脂后幾乎可永久使用，降低了整體生產(chǎn)的成本，減少主機廠裝配內(nèi)容，減輕了輪端機構(gòu)的重量，有利于提升輕量化水平。

目前第四代輪轂軸承僅僅研制成功，很小部分的高檔轎車在采用，其大規(guī)模應(yīng)用還有一些問題有待解決。

3 輪轂軸承技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 冷碾擴成型技術(shù)

冷碾擴技術(shù)是利用金屬材料的塑性變形來獲得零件的形狀和尺寸，沒有材料的切除和浪費，生產(chǎn)效率高、成型表面粗糙度好、公差小；采用冷碾擴技術(shù)的第三代輪轂軸承加工時產(chǎn)生的軸向載荷使輪轂主軸端產(chǎn)生塑性變形，從而使得輪轂主軸與半內(nèi)圈連接為一體。相對于傳統(tǒng)的螺母緊固，采用了冷碾擴技術(shù)的第三代輪轂軸承有助于減少體積和重量，同時降低生產(chǎn)制造成本，提高了輪轂軸承的可靠性，輪轂軸承在組裝到汽車之前已經(jīng)預置了載荷，免去了總裝線上調(diào)整軸承預緊力的步驟。

3.2 高性能密封技術(shù)

優(yōu)良的軸承密封能力是長壽命軸承的可靠保障和有力支撐。輪轂軸承密封件在空間布置和成本中占比不高，但在功能方面的作用卻不容忽視，由于輪轂軸承非常接近地面和高溫的制動盤等零件，需要適應(yīng)各種復雜路況及惡劣的行駛環(huán)境。因此軸承密封圈必須具備良好的防漏性能，同時還必須具有良好的耐熱、防泥漿和污水的性能。隨著密封技術(shù)的不斷提高，軸承密封朝著復雜化和強化功能的方向發(fā)展。另外密封唇的過盈補償能力和抵御外部異物的能力也是軸承密封的重要課題。

3.3 輕量化和小型化

第三代輪轂軸承通過集成化設(shè)計來減輕整個機構(gòu)的重量，同時簡化安裝、方便維護。利用有限元分析方法對輪轂軸承單元進行整體分析，得出其承載情況，針對載荷大的部位進行加強，在保證足夠強度的前提下針對載荷不高的部位進行結(jié)構(gòu)輕量化、減薄其壁厚，在保證法蘭盤有足夠剛性的同時盡可能減小其體積、去除多余材料，減輕輪轂軸承單元的重量，達到節(jié)能、省材和降低油耗的目的。

3.4 低摩擦力矩

設(shè)計降低摩擦力矩的輪轂軸承是降低汽車油耗的重要措施，軸承密封在摩擦力矩中占很大比例，因此改進密封設(shè)計、降低摩擦力矩可顯著提高輪轂軸承的性能。采用新型低摩擦油脂，可大幅度降低旋轉(zhuǎn)時的油脂攪拌阻力。另外輪轂軸承油封密封唇的幾何形狀和滑動表面的情況也對摩擦力的大小有著較大的影響。此外，在密封唇的滑動面增加凹凸處理，并涂上密封唇專用的低粘度潤滑脂，也可以減少密封唇的摩擦阻力。

3.5 ABS及智能檢測技術(shù)

汽車制動系統(tǒng)ABS轉(zhuǎn)速的檢測，一般是通過安裝在車輪旋轉(zhuǎn)件以及固定在車體上的磁力傳感器進行的，具體又形成兩種技術(shù)路線：一是將傳感器設(shè)置在輪轂上測量轉(zhuǎn)速；另一類以FAG、SKF等公司為代表，帶有集成傳感器的軸承是把某些功能的傳感器與軸承結(jié)合為一體而形成的獨特結(jié)構(gòu)，如帶有運動傳感器的深溝球軸承，除支撐旋轉(zhuǎn)軸外，還可以測量軸承內(nèi)外圈的相對運動，有時也稱這類軸承為智能軸承。

4 結(jié)束語

在第三代輪轂軸承已經(jīng)得到全面應(yīng)用且第一代和第二代輪轂軸承逐漸淘汰、退出市場的趨勢下，建議主機廠和軸承制造企業(yè)積極參與新一代輪轂軸承產(chǎn)品的預研工作，對一些關(guān)鍵技術(shù)展開有針對性的研究，以提升輪轂軸承行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力；要針對輪轂軸承的集成化和輕量化做深入的技術(shù)開發(fā)工作，重點解決產(chǎn)品壽命和可靠性問題，在集成化和輕量化的前提下提升輪轂軸承產(chǎn)品的性能；開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，趕上世界先進水平。

參考文獻

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[2] NSK中國技術(shù)中心.輪轂軸承的發(fā)展趨勢和最新技術(shù).軸承. 2007 （3）：46-50.